負(fù)壓變換器的設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]目前在工業(yè)、汽車電子系統(tǒng)中有諸如溫度、壓力、位置、重量和流量等物理參數(shù)的精確測量，這些信號中的一些傳感器和前置放大器需要正負(fù)電壓源驅(qū)動(dòng)或供電，以提供足夠?qū)挼膭?dòng)態(tài)范圍和抗干擾性。這些電子系統(tǒng)通常使用3.3V、5V、12V或24V中的某一電壓的直流電源供電，所以必須使用一個(gè)直流變換器...
目前在工業(yè)、汽車電子系統(tǒng)中有諸如溫度、壓力、位置、重量和流量等物理參數(shù)的精確測量，這些信號中的一些傳感器和前置放大器需要正負(fù)電壓源驅(qū)動(dòng)或供電，以提供足夠?qū)挼膭?dòng)態(tài)范圍和抗干擾性。這些電子系統(tǒng)通常使用3.3V、5V、12V或24V中的某一電壓的直流電源供電，所以必須使用一個(gè)直流變換器從正的電源得到一個(gè)負(fù)的電壓滿足系統(tǒng)的要求。在本文中將討論各種負(fù)壓變換器各種拓樸結(jié)構(gòu)及工作原理，并比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而為電子工程師提供一些設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。
1、BUCK-BOOST變換器
基本BUCK-BOOST變換器的結(jié)構(gòu)見圖1所示。主開關(guān)管在輸入側(cè)的高邊，與BUCK變換器相同；二極管在輸入側(cè)的高邊，與BOOST變換器相同，輸出二極管的方向與BOOST變換器的二極管的方向相反，輸出得到負(fù)電壓，因此這種結(jié)構(gòu)稱為BUCK-BOOST變換器。
開關(guān)周期開始時(shí)，主開關(guān)管導(dǎo)通、電感激磁，電感的電流線性上升。二極管由于承受負(fù)電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)輸出的負(fù)載電流由輸出的大電容維持；主開關(guān)管關(guān)斷后，二極管導(dǎo)通、電感去磁，電感的電流線性降低，存儲(chǔ)在電感的中的能量向輸出負(fù)載傳輸能量，直到下一個(gè)周期主開關(guān)管又導(dǎo)通。
圖1：基本的BUCK-BOOST變換器
輸出電壓為：
???? Vo= -Vin?D/(1-D)
其中， D為占空比。
從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大于或少于輸入電壓。由于在主開關(guān)管導(dǎo)通期間，輸入電壓不向輸出負(fù)載傳輸能量，輸出的負(fù)載電流完全由輸出的大電容維持，因此輸出的紋波電壓大。由于后級信號的模擬電路對電源的紋波電壓要求高，因此使用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，通常在變換器的后面再加LC濾波器，或高性能的線性穩(wěn)壓器，以抑止其輸入側(cè)帶入的噪聲和紋波。
2、CUK變換器
CUK電路采用雙電感結(jié)構(gòu)，可以克服BUCK-BOOST變換器輸出紋波大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低的輸出紋波，CUK變換器的結(jié)構(gòu)見圖2所示。
圖2：CUK變換器
在開關(guān)周期開始時(shí)，主開關(guān)管導(dǎo)通，電感L1和L2同時(shí)激磁，電感的電流線性上升。二極管由于承受負(fù)電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)。主開關(guān)管關(guān)斷后，二極管導(dǎo)通，電感L1和L2同時(shí)去磁，電感的電流線性降低，到下一個(gè)周期主開關(guān)管又導(dǎo)通；注意到在開關(guān)管開通過程中，電感L2存儲(chǔ)能量，在開關(guān)管關(guān)斷的過程中，存儲(chǔ)在電感L2中的能量輸出給負(fù)載，因此輸出電壓紋波小。輸出電壓為：
??? Vo=-Vin?D/(1-D)
從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大于或少于輸入電壓。CUK變換器需要雙電感，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，成本也增加，同時(shí)效率降低。此外，開關(guān)管流過兩個(gè)電感的激磁電流，電流的應(yīng)力大。若使用使用耦合電感，在同樣的磁化電感的條件下，電流紋波減小一半。CUK電路適合于對輸出電壓紋波有較高要求的應(yīng)用。
CUK電路的耦合電容在主功率回路中，流過高頻的大電流，所以要選用低ESR/ESL的X5R/X7R陶瓷電容。在主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，耦合電容的電流與輸出的負(fù)載電流相同，因此可以通過下式來計(jì)算：
??? C?duc/dt=ic??? C=D?Ts?Io/a?Vc其中：Ts為開關(guān)頻率，a為電容電壓的紋波系數(shù)，取0.2~0.3。
CUK電路有一種變形的單電感結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其與標(biāo)準(zhǔn)的CUK的不同在于使用一個(gè)二極管代替輸出電感，工作原理與充電泵結(jié)構(gòu)有些類似。
圖3：基于CUK的充電泵變換器
由于使用單電感結(jié)構(gòu)，成本低，但輸出的電壓紋波變大。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于由于輸入結(jié)構(gòu)和BOOST相同，功率管的S極接地，因此可以直接使用N溝道的MOSFET，驅(qū)動(dòng)簡單；同時(shí)電流取樣可以放在低邊，也簡化的設(shè)計(jì)，而BUCK-BOOST變換器沒有這種特點(diǎn)。
若對負(fù)輸出作調(diào)節(jié)，參考電壓的選取有二種方式：一是控制器可以提供一個(gè)負(fù)的參考電壓。若控制器不能提供負(fù)的參考電壓，就必須外加一個(gè)運(yùn)放作反饋電壓的轉(zhuǎn)化，如圖4(a)所示，外部的運(yùn)算放大器接為反相放大器，其中， R3=R2。
?(a) 利用外部放大器(b) 利用內(nèi)部放大器
圖4：負(fù)輸出電壓的反饋設(shè)計(jì)
有些控制器將電壓反饋的誤差放大器的同相端和反相端都引出，如圖4(b)所示，同時(shí)提供一個(gè)正的參考電壓。此時(shí)，若要輸出負(fù)電壓，可以將放大器的反相端接地，同相端在外部通過一個(gè)電阻接到正的參考電壓，并且通過另一個(gè)電阻接到負(fù)輸出端，即可以得到負(fù)的輸出電壓。由放大器的工作原理，運(yùn)放的同相端的電壓必須為0，同時(shí)流入同相端的電流為0，所以：
?Vref/Rref=Vo/RVo
同相端的電壓為：
V =(Vref?RVo-Vo?Rref)/(Rref RVo)
當(dāng)輸出電流增加，輸出的電壓Vo絕對值降低，同相端的電壓V 增加，內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器，所以ITH管電壓也增加，占空比增大，與反饋調(diào)節(jié)的趨勢是一致的。
有些應(yīng)用需要雙路多路的負(fù)輸出電壓如-5V、-12V、-15V及-24V等，為了降低成本，可以對輸出電流最大的一路使用CUK變換器，而對其它的輸出采用在輸出電感加耦合繞組的方法獲取，如圖5所示。這種方式成本低，但效率也較低。
圖5：多路負(fù)輸出
由于只能對其中的一路作輸出調(diào)節(jié)，因此對于其它的輸出，如果輸出精確要求不是很高，可以在輸出加穩(wěn)壓管得到需要的電壓。如果輸出精確要求較高，可以在輸出加線性穩(wěn)壓器。
注意到CUK電路的左邊和BOOST變換器相同，因此在有升壓BOOST變換器的系統(tǒng)中，可以基于BOOST變換器，額外的加一個(gè)電感、二極管和耦合電容，配置成CUK電路，得到一路負(fù)壓。通常BOOST變換器處于反饋調(diào)節(jié)，那么，沒有反饋調(diào)節(jié)的CUK就可以通過改變電感的匝數(shù)并在后面加穩(wěn)壓管和線性穩(wěn)壓器得到需要的電壓。
圖6：BOOST正輸出和CUK負(fù)輸出
3、負(fù)電壓為IC控制器參考基準(zhǔn)的BUCK變換器
基于通用BUCK變換器也可以得到負(fù)電壓。可以設(shè)想：通用BUCK變換器的輸入、輸出是以地為基準(zhǔn)，所以輸入、輸出都為正。如果將負(fù)電壓做為IC控制器的參考基準(zhǔn)，輸出的正端接地，那么，輸入電壓、輸出的地相對于負(fù)電壓的基準(zhǔn)，就都為正。?
圖7：基于BUCK變換器的負(fù)變換器
不同于通用BUCK變換器，這種結(jié)構(gòu)的輸出電流是方波，其峰峰值大于輸出的電流值，而且輸出電壓的紋波和輸出電容的紋波電流也遠(yuǎn)大于通用BUCK變換器，通用BUCK變換器的輸出電流是直流值。因此，必要的話，這種變換器可以在其輸出加一級LC濾波器，減小輸出電壓的紋波。
這種變換器有兩種工作模式：非連續(xù)DCM和連續(xù)CCM模式。非連續(xù)DCM的反饋容易設(shè)計(jì)，可用較小的電感值，但開關(guān)管中的峰值電流大，因此對于同樣額定電流的開關(guān)管，所得到的輸出電流小。如果輸出的負(fù)載電流大，要選用CCM模式，用大的電感值。
通用BUCK變換器續(xù)流二極管流過負(fù)載電流，在起動(dòng)和輸出過載時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生大電流。這種負(fù)變換器在起動(dòng)和過載時(shí)，二極管的電流遠(yuǎn)大于正常工作的電流，特別是在CCM工作模式下，必須用較大的電流額定值。
基于通用BUCK變換器也可以配置為負(fù)輸出的SEPIC電路，如圖8所示。圖中上部為通用BUCK變換器，得到可以調(diào)節(jié)精確的正輸出電壓，下部通過耦合電感及耦合電容得到負(fù)的輸出。
圖8：基于BUCK的負(fù)輸出SEPIC電路
注意圖中所示的耦合電感的極性，耦合電感的工作類似于反激電路的工作方式，得到負(fù)的輸出電壓。加入耦合電容C1，就變?yōu)镾EPIC電路，從而提高輸出的調(diào)節(jié)性，降低電感紋波。同樣，負(fù)輸出由于沒有反饋調(diào)節(jié)，通過改變耦合電感的匝數(shù)和加穩(wěn)壓管或線性穩(wěn)壓器的方法得到穩(wěn)定的負(fù)輸出。
4、充電泵結(jié)構(gòu)
通用的BUCK、BOOST電路的開關(guān)節(jié)點(diǎn)通常是浮動(dòng)電壓，可以利用這個(gè)浮動(dòng)的電壓組成充電泵電路，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓的輸出。電泵電路通常要求輸出的負(fù)載電流比較小，而且其輸出電壓不做調(diào)節(jié)，可以使用穩(wěn)壓管提高其輸出電壓的精度。
圖9：基于BOOST的負(fù)輸出充電泵電路
5、Flyback反激變換器
通用反激變換器由于使用變壓器，通過光耦調(diào)節(jié)可以得到完全隔離的輸出，由于輸出繞組浮空，因此可以任意的接為正輸出或負(fù)輸出電壓。反激變換器增加一個(gè)繞組和一個(gè)二極管就可以增加一路的輸出，因此非常容易得到多路的輸出，而且成本低。其工作原理和結(jié)構(gòu)在本文中就不作詳細(xì)的介紹。
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